Курсова робота Скудря М.О. Міев

ОСНОВИ ТЕОРІЇ ПОБУДОВИ КОНСТРУКЦІЇ ЗАСОБІВ ВИМІРЮВАННЯ

Описание РГР, курсовой работы

ЭТАП РГР

Построение цифровых информационных датчиков

Общая цель РГР – совершенствование заданных измерительных устройств и систем исходя из современных концепций развития

СТРУКТУРНО-ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ СХЕМА ЦИФРОВОЙ РЕАЛИЗАЦИИ УСТРОЙСТВА ИЗМЕРЕНИЯ

состоит из 5 конструктивных частей:

1.АППАРАТНО-ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬНАЯ ЧАСТЬ;

2.АППАРАТНО-ИСПОЛНИТЕЛЬНАЯ ЧАСТЬ;

3.ПРОГРАММНО-ВЫЧИСЛИТЕЛЬНАЯ ЛОГИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ;

4.ЧАСТЬ ПРИЕМА-ПЕРЕДАЧИ ЛОКАЛЬНОЙ ИНФОРМАЦИОННОЙ СЕТИ;

5.БЛОК ПИТАНИЯ.

© НУБіП,Нікіфоров А.П., 2020

ЭТАП РГР

Общая структурно-функциональная схема МП ИУ

Для рисунка из Лекции 1 сформируем структурную схему конструкции МП измерительного устройства. В качестве основы используется структурная схема механических и статических устройств (Рис. а)

Аналоговая реализация

I(t)

ИП2 АФ2 ОП2 ПФ2

U(t)

ИП - ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ; АФ - АНАЛОГОВЫЕ ФИЛЬТРЫ; ОП - ОПЕРАЦИОННЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ; ЗЭ - ЗАПОМИНАЮЩИЙ ЭЛЕМЕНТ (УСТАВКИ)

ПФ - ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ СИГНАЛА В УДОБНУЮ ФОРМУ; У - УСИЛИТЕЛЬ МОЩНОСТИ

ЭСРД - ЭЛЕМЕНТЫ СРАВНЕНИЯ РЕЛЕЙНОГО И НЕРЕЛЕЙНОГО ДЕЙСТВИЯ

Рисунок а - Структурная схема конструкции МП устройства

МП ЯДРО – МИКРОПРОЦЕССОРНОЕ ЯДРО; ФС – ФОРМИРОВАТЕЛИ СИГНАЛА; ИН – ИНТЕРФЕЙС

Рисунок б – Общая функциональная схема МП устройств

© НУБіП,Нікіфоров А.П., 2020

ЭТАП РГР

Построение многоканальных цифровых ИС. Точность преобразований в измерительной части

При множестве входных каналов и одном АЦП. Калибровка каналов АЦП

РИСУНОК – СТРУКТУРНЫЕ СХЕМЫ ИНФОРМАЦИОННОЙ ЧАСТИ

© НУБіП,Нікіфоров А.П., 2020

336

1ПрезентЛекцМетрология-Стор1-Всі-311020-1.docx

Для каждого датчика можно вывести идеальное (теоретическое) соотношение, связывающее сигналы на его входе и выходе. Оно бы соответствовало реальному соотношению, если бы была возможность идеально спроектировать

S = f(s)

называют

передаточной функцией.

Она может быть как линейной, так и нелинейной (например, степенной или экспоненциальной). Зачастую передаточная функция является одномерной (т. е. связывает выходной сигнал только с одним внешним воздействием). Одномерная линейная функция может бытьпредставлена выражением вида:

S a bs ,

где a – значение выходного сигнала при нулевом входном, b – наклон прямой, называемый чувствительностью датчика.

Для нелинейных передаточных функций чувствительность не является постоянной, как в случае линейных функций.

Однако во многих случаях нелинейные датчики можно считать линейными внутринекоторого

ограниченного диапазона значений. Тогда для более широкого диапазона значений передаточная функция может быть представлена в виде

отрезков прямых (т. е. кусочно-линейная аппроксимация) с разным значением b. В случаях, когда выходнойсигнал датчика зависит от нескольких видов внешних воздействий, его передаточная функция является многомерной (например, инфракрасный датчик температуры).Как правило,

передаточные функции представляются в виде зависимости «выход от входа» (9), однако когда датчик используется для количественного определения величины внешнего воздействия, необходимо получить

зависимость вида s= g(S) («вход от выхода»). При линейной передаточной функции это не представляет особых сложностей, в случае же присутствия в системе нелинейности задача усложняется. Во многих случаях не удается получить пригодного аналитического выражения, тогда применяют различные методы аппроксимации.

© НУБіП, Нікіфоров А.П., 2020

337

1ПрезентЛекцМетрология-Стор1-Всі-311020-1.docx

Диапазон измеряемых (входных) значений

– динамический диапазон внешних воздействий, которые датчик может воспринять и преобразовать, не

выходя за пределы допустимых погрешностей. Для датчиков сочень широкой и нелинейной амплитудно-частотной характеристикой (АЧХ) динамический диапазон входных значений выражается в децибелах,

являющихся логарифмической мерой отношений мощностей или напряжений. Поскольку логарифмическая шкала является нелинейной, сигналы низкого уровня представляются на ней с большим разрешением, сигналы же большого уровня сжимаются, что на практике бывает весьма удобно.

Диапазон выходных значений

– алгебраическая разность между электрическимивыходными сигналами, измеренными при максимальной

и минимальной величине внешнего воздействия. В эту величину должны входить все возможные отклонения от идеальной передаточной функции.

Точность

датчика указывает на погрешность измерений, т.е. величину максимального расхождения между показаниями реального и идеального датчиков. Погрешность датчика можно также представить в виде разности междузначением входного сигнала, вычисленным по выходному сигналу датчика, и реальным значением поданного сигнала.

Реальная передаточнаяфункция никогда не совпадает с идеальной.

Даже когда датчики изготавливаются в идентичных условиях, из-за разницы в материалах, ошибок разработчиков и многих других причин их передаточные функции будут отличаться друг от друга. Однако все они не должны выходить за пределы определеннойзоны, лежащей в границах предельно допустимых погрешностей ± . На точность датчиков влияют такие

характеристики, как наличие гистерезиса, мертвая зона, параметры калибровки, воспроизводимость. Предельно допустимые погрешности обычно соответствуют самым худшим рабочим характеристикам датчиков.

На практике пределы допустимых погрешностей устанавливают не вокруг идеальной передаточной функции, а относительнокалибровочной кривой. Допустимые пределы становятся меньше, если они невключают в

© НУБіП, Нікіфоров А.П., 2020

338

1ПрезентЛекцМетрология-Стор1-Всі-311020-1.docx

себя погрешности, связанные с отличием датчиков от партии к партии, либо когда они относятся к одному специально откалиброванному датчику. Все это, конечно, повышает точность измерений, однако и значительно повышает стоимость, что не всегда целесообразно.

Погрешности

датчиков могут быть представлены в видах: непосредственно в единицах измеряемой величины (Δ);

впроцентах от значения максимального входного сигнала;

вединицах выходного сигнала.

В современных датчиках точность часто характеризуется величиной статистической погрешности измерений, учитывающей влияние как систематических, так и случайных погрешностей, и не зависящей от ошибок, допущенных при определении передаточных функций.

и того же входного сигнала, полученных при его возрастании и убывании. Типичной причиной возникновения гистерезиса является трение и

Под нелинейностью понимают максимальное отклонение реальной передаточной функции от аппроксимирующей прямой.

При проведении нескольких циклов калибровки выбирается худшее из полученных значений нелинейности в качестве характеристики датчика. Нелинейность обычно выражается в процентах от максимальной величины входного сигнала либо в единицах измеряемой величины. В зависимости от способа проведения аппроксимирующей линии различают несколько способов линеаризации. Один из них – проведение прямой через конечные точки передаточной функции. При таком способе ошибка нелинейности минимальнав конечных точках и максимальна в промежутке между ними.

© НУБіП, Нікіфоров А.П., 2020

339

1ПрезентЛекцМетрология-Стор1-Всі-311020-1.docx

Другой способ линеаризации основан на методе наименьших квадратов. Для этого в широком диапазоне измеряемых значений (лучше в полном)

для ряда значений (n) внешних воздействий s определяютзначения выходных сигналов S. После этого применяют формулу линейной регрессии и определяют значения коэффициентов a и b.

Еще один метод –

независимой линеаризации –

заключается в нахождении линии, проходящей посередине между двумя параллельными прямыми, расположенными как можно ближе друг к другу, но охватывающими при этом все выходныезначения реальной передаточной функции. В зависимости от метода линеаризации аппроксимирующие линии будут иметь разные коэффициенты a и b, аследовательно, значения нелинейности, полученные разными способами, могут существенно отличаться друг от друга.

Каждый датчик имеет своипределы рабочих характеристик.

Даже если он считается линейным,при определенном уровне внешнего воздействия его выходной сигнал может стать нелинейным, т. е. перестанет отвечать приведенной линейной зависимости. В этом случае говорят, что датчик вошел в зону нелинейности, или в зону насыщения.

Если производственные допуски на датчик и допуски на интерфейс (схемы преобразования сигналов) превышают требуемую точность системы, необходимо провестикалибровку, т. е. определить индивидуальную передаточную функцию датчика, либо системы в целом. В процессе проведения полной калибровки определяют коэффициенты, описывающие

передаточную функцию всей системы в целом, включая датчик, интерфейсное устройство и АЦП. Математическое описание передаточнойфункции необходимо знать до начала проведения калибровки.

Если это выражение является линейным, в процессе калибровки необходимо определить коэффициенты a и b. Для нахождения их необходимо получить два уравнения, т. е. калибровка проводится как минимум по двум точкам.

Для нелинейных функций калибровка проводится по более чем двум точкам.Количество необходимых точек и циклов калибровки определяется с учетом вида математического выражения передаточной функции, а также требуемой точности системы. Для проведения калибровки датчиков

© НУБіП, Нікіфоров А.П., 2020

340

1ПрезентЛекцМетрология-Стор1-Всі-311020-1.docx

важно иметь точные физические эталоны, позволяющие моделировать соответствующие внешние воздействия. Точность последующих измерений с помощью датчиков или систем напрямую зависит от точности проведения калибровки.

Ошибка калибровочных эталонов должна включатьсяв полную ошибку измерений.

Ошибка калибровки – это погрешность, допущеннаяпроизводителем при проведении калибровки датчика (системы). Эта погрешность носит систематический характер, т. е. добавляется ко всем реальным передаточным функциям. Ошибка

калибровки сдвигает характеристику преобразования датчика в каждой точке на определенную величину. Она может быть неравномерной во всем диапазоне измерений, может зависеть от типа ошибки, допущенной в процессе калибровки.

Воспроизводимость

– это способность датчика при соблюдении одинаковых условий выдавать идентичные результаты.

Воспроизводимость результатов определяется по максимальной разности выходных значений датчика, полученных в двух циклах калибровки. Обычно она выражается в процентах от максимальногозначения входного сигнала. Причинами плохой воспроизводимости результатов могут быть тепловой шум, поверхностные заряды, пластичность материалов и другие.

Мертвая зона

– это нечувствительность датчика в определенном диапазоне входных сигналов. В пределах этой зоны выходной сигнал датчика остается практически постоянным, часто равным нулю.

Разрешающая способность

– это величина минимального изменения входного сигнала, приводящая к появлению минимального изменения выходного сигнала датчика при определенных условиях. Иногда разрешающая способность определяется в процентах от полной шкалы (максимального значения входного сигнала).

© НУБіП, Нікіфоров А.П., 2020

341

1ПрезентЛекцМетрология-Стор1-Всі-311020-1.docx

Разрешающая способность датчиков с цифровыми выходными сигналами часто задается числом бит слова данных. Например, в описании может быть приведена информация, что разрешение датчика равно 8 бит. Отсюда можно получить либо полный диапазон входных сигналов, либо оценить величину младшего значащего разряда.

Выходной импеданс Zвых является характеристикой, указывающей, насколько легко датчик согласовывается с последующей электронной схемой. Если выходным сигналом датчика является напряжение, то сопротивление, соответствующее выходному импедансу датчика, подключают параллельно входному сопротивлению (импедансу) электроннойсхемы Zвх. Если же выходным сигналом датчика является электрический ток, то сопротивление, соответствующеевыходному импедансу датчика, подключают

последовательно входному сопротивлению (импедансу) электронной схемы Zвх (рис.). Обычно входной ивыходной импеданс представляют в комплексном виде, поскольку они включают в себя и активные и реактивныекомпоненты.

Рисунок – Гальваническая развязка «Токовая петля» для импульсной передачи информации по линиям связи

Для минимизации искажений выходного сигнала датчик с токовым выходом должен иметь максимально возможный выходной, а его интерфейсная схема – минимальный входной импеданс.

В случае потенциального соединения (выходной сигнал датчика – напряжение) датчик должен иметь низкий выходной импеданс, а его интерфейсная схема – высокий входной.

Сигнал возбуждения – это электрический сигнал, необходимый активному датчику для работы.

© НУБіП, Нікіфоров А.П., 2020